ランキンサイクルシステム
【課題】作動流体の上限温度に対する制限が緩和されたランキンサイクルシステムを提供する。
【解決手段】ランキンサイクルシステム２００は、作動流体を加圧するためのポンプ１０１と、ポンプ１０１によって加圧された作動流体を加熱するための加熱器１０２と、加熱器１０２で加熱された高温高圧の作動流体を膨張させることによって作動流体から動力を取り出すための膨張機構３と、膨張機構３に連結された発電機４と、膨張機構３および発電機４を収容している密閉容器１とを有する膨張機１００と、膨張機１００で膨張した作動流体を冷却するための冷却器１０３とを備えている。作動流体をポンプ１０１の出口から加熱器１０２の入口へと導くための流路内に発電機４が位置するように、その流路の一部が密閉容器１の内部空間２４によって形成されている。
【解決手段】ランキンサイクルシステム２００は、作動流体を加圧するためのポンプ１０１と、ポンプ１０１によって加圧された作動流体を加熱するための加熱器１０２と、加熱器１０２で加熱された高温高圧の作動流体を膨張させることによって作動流体から動力を取り出すための膨張機構３と、膨張機構３に連結された発電機４と、膨張機構３および発電機４を収容している密閉容器１とを有する膨張機１００と、膨張機１００で膨張した作動流体を冷却するための冷却器１０３とを備えている。作動流体をポンプ１０１の出口から加熱器１０２の入口へと導くための流路内に発電機４が位置するように、その流路の一部が密閉容器１の内部空間２４によって形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、地球温暖化の問題を受けて、太陽光等の自然エネルギーや各種排熱を利用するエネルギーシステムが脚光を浴びている。そのようなエネルギーシステムの一つとして、ランキンサイクルシステムがある。一般的なランキンサイクルシステムでは、高温高圧の作動流体で膨張機を運転し、膨張機によって作動流体から取り出した動力で発電を行う。高温高圧の作動流体は、ポンプおよび熱源（太陽光、地熱、自動車の排熱等）によって作られる。
【０００３】
ランキンサイクルシステムの膨張機として、容積式の膨張機構と、その膨張機構にシャフトで連結された発電機とが密閉容器に収容された構造のものが知られている（特許文献１）。この構造の膨張機は、シャフトが密閉容器を貫通していないため、密閉容器外への作動流体の漏れを防ぐメカニカルシールが不要となる点で優れている。
【特許文献１】特開２００６−１２５７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ランキンサイクルの理論熱効率は、膨張機の入口における作動流体のエンタルピーが大きくなればなるほど良くなる。すなわち、膨張機に供給する作動流体の圧力および温度は、高ければ高いほど好ましい。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の膨張機においては、密閉容器の内部空間が膨張後の作動流体で満たされる。この場合、膨張後の作動流体の温度が高すぎると発電機がダメージを受ける可能性がある。また、許容範囲内の温度であっても、高温での運転が続くと発電機の寿命が短くなると言われている。また、発電機に永久磁石が用いられている場合には、減磁の問題も出てくる。こうした問題を回避するためには、膨張機に供給する作動流体の温度を制限する必要があるが、作動流体の温度制限は、システムの効率の向上の妨げとなる。
【０００６】
こうした問題に鑑み、本発明は、作動流体の上限温度に対する制限が緩和されたランキンサイクルシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明は、
作動流体を加圧するためのポンプと、
前記ポンプによって加圧された作動流体を加熱するための加熱器と、
前記加熱器で加熱された高温高圧の作動流体を膨張させることによって作動流体から動力を取り出すための膨張機構と、前記膨張機構に連結された発電機と、前記膨張機構および前記発電機を収容している密閉容器と、を有する膨張機と、
前記膨張機で膨張した作動流体を冷却するための冷却器と、を備え、
作動流体を前記ポンプの出口から前記加熱器の入口へと導くための流路内に前記発電機が位置するように、前記流路の一部が前記密閉容器の内部空間によって形成されている、ランキンサイクルシステムを提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のランキンサイクルシステムによれば、作動流体をポンプの出口から加熱器の入口へと導くための流路内に発電機が位置するように、その流路の一部が密閉容器の内部空間によって形成されている。このようにすれば、発電機の周囲および／または内部を比較的低温の作動流体が流れるので、発電機が作動流体によって冷却される。そのため、膨張機構で膨張する作動流体の温度が相当高い場合でも発電機の温度上昇が抑制される。併せて、発電機の熱によって作動流体が予熱されるので、システムの効率が向上する。さらに、発電機を低温に保つことによって、発電機の寿命が短くなったり減磁が起こったりしにくくなるので、システムの信頼性も高まる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態にかかるランキンサイクルシステムの構成図である。ランキンサイクルシステム２００は、ポンプ１０１、加熱器１０２、膨張機１００Ａ、冷却器１０３およびこれらの装置を相互に接続している複数の管路１４ａ〜１４ｅを備えている。
【００１１】
ポンプ１０１は、作動流体を加圧する。ポンプ１０１として、例えば、一般的な容積式ポンプを用いることができる。熱源である加熱器１０２は、ポンプ１０１によって加圧された作動流体を加熱する。加熱器１０２として、例えば、太陽熱集熱器を用いることができる。膨張機１００Ａは、加熱器１０２で加熱された高温高圧の作動流体を減圧および膨張させることによって作動流体から動力を取り出すための膨張機構３と、その動力によって発電を行うための発電機４と、動力伝達がなされるように膨張機構３と発電機４とを連結しているシャフト５と、これらを収容している密閉容器１とを有する。冷却器１０３は、膨張機１００Ａで膨張および減圧した作動流体を冷却する。冷却器１０３として、一般的なフィンチューブ型熱交換器を用いることができる。
【００１２】
作動流体として、例えば、二酸化炭素、アンモニアおよび炭化水素を用いることができる。安全性や地球温暖化防止の観点から二酸化炭素が好適である。
【００１３】
図１に示すように、作動流体をポンプ１０１の出口から加熱器１０２の入口へと導くための流路内に発電機４が位置するように、その流路の一部が膨張機１００Ａの内部を通っている。具体的に、作動流体をポンプ１０１の出口から加熱器１０２の入口へと導くための流路は、ポンプ１０１の出口と密閉容器１の内部空間２４とを接続している管路１４ａ（第１管路）と、膨張機１００Ａの密閉容器１の内部空間２４と、密閉容器１の内部空間２４と加熱器１０２の入口とを接続している管路１４ｂ（第２管路）とによって形成されている。したがって、密閉容器１の内部空間２４は、ポンプ１０１で加圧された作動流体で満たされる。ポンプ１０１で加圧された直後の作動流体の状態は、低温高圧である。低温高圧の作動流体が発電機４の周囲および／または内部を流れることによって、発電機４が冷却される。結果として、発電機４の温度上昇が抑制される。
【００１４】
図２は、図１に示すランキンサイクルシステムのｐ−ｈ線図である。作動流体として二酸化炭素を用いた場合のサイクルがＡ−Ｂ−Ｂ’−Ｃ−Ｄ−Ａで示されている。作動流体は、ポンプ１０１によって状態Ａから状態Ｂまで加圧される。ポンプ１０１で加圧された作動流体は、管路１４ａを通じて膨張機１００Ａの密閉容器１の内部空間２４に導かれ、さらに、密閉容器１の内部空間２４および管路１４ｂを通じて加熱器１０２へと導かれる。密閉容器１の内部空間２４において、作動流体は、ポンプ１０１の出口（状態Ｂ）でのエンタルピーと、加熱器１０２の入口（状態Ｂ’）でのエンタルピーとの差に相当する熱を獲得する。発電機４の熱によって作動流体が予熱されるので、システムの効率が向上する。
【００１５】
加熱器１０２において、作動流体は、状態Ｂ’から状態Ｃまで加熱される。加熱器１０２で加熱された作動流体は、管路１４ｃを通じて膨張機１００Ａの膨張機構３に導かれる。膨張機構３において、作動流体は、状態Ｃから状態Ｄまで減圧および膨張する。その後、作動流体は、管路１４ｄを通じて冷却器１０３に導かれ、状態Ｄから状態Ａまで冷却される。冷却器１０３で冷却された作動流体は、管路１４ｅを通じてポンプ１０１に戻る。
【００１６】
図１に示すように、膨張機１００Ａにおいて、膨張機構３が密閉容器１内の下側に配置され、発電機４が密閉容器１内の上側に配置されている。作動流体は、発電機４の周囲および／または内部を下から上に向かって流れる。ここで、作動流体とともにサイクルを循環する潤滑油の比重は、作動流体の比重よりも大きい。そのため、作動流体が発電機４の周囲および／または内部を下から上に向かって流れる際、潤滑油は、重力や遠心力の影響を受けて作動流体から分離される。つまり、膨張機１００Ａによれば、密閉容器１がオイルセパレータとして機能するので、加熱器１０２での熱交換の妨げとなる潤滑油の循環量を低減できる。また、高温の加熱器１０２による潤滑油の劣化も防止できる。
【００１７】
なお、本実施形態では、シャフト５の軸方向が垂直方向に一致しているが、シャフト５の軸方向が水平方向に一致していてもよい。
【００１８】
また、加熱器１０２が複数の部分に分かれていてもよい。この場合、ポンプ１０１から吐出された直後の作動流体を密閉容器１の内部空間２４に導入してもよいし、一部の加熱器で加熱された作動流体を密閉容器１の内部空間２４に導入してもよい。膨張後の作動流体の温度（状態Ｄ）よりも低温の作動流体を密閉容器１の内部空間２４に導入すれば、膨張後の作動流体で密閉容器１の内部空間２４を満たす場合（従来例）を基準として、発電機４を冷却する効果が得られるからである。
【００１９】
図３は、図１に示す膨張機１００Ａの縦断面図である。膨張機１００Ａは、密閉容器１と、膨張機構３と、発電機４と、シャフト５とを備えている。密閉容器１の底部は、膨張機構３の潤滑油の貯留部２５として利用されている。膨張機構３によって作動流体から取り出された動力は、シャフト５を介して発電機４に伝達される。シャフト５は、複数の部品によって構成されていてもよいし、単一の部品によって構成されていてもよい。
【００２０】
発電機４は、シャフト５に固定されたロータ２２と、ロータ２２の周囲に配置されたステータ２１とを備えている。ステータ２１は、密閉容器１に固定されている。ロータ２２とステータ２１との間には、作動流体が軸方向に流通できる広さの隙間１９が形成されている。隙間１９は、作動流体をポンプ１０１の出口から加熱器１０２の入口へと導くための流路の一部を形成している。作動流体が隙間１９を流通することによって、発電機４を効率よく冷却できる。言い換えれば、作動流体が効率よく熱を獲得しうる。なお、作動流体が軸方向に流通しうる隙間は、ステータ２１と密閉容器１との間に形成されていてもよい。発電機４の周囲および内部の少なくとも一方を作動流体が流れることによって、発電機４は冷却されうる。
【００２１】
なお、発電機４で発生した電力は、密閉容器１の上部に設けられたターミナル（図示省略）を介してコンバータ等の電源ユニットに供給される。
【００２２】
本実施形態では、膨張機構３として、ロータリ型流体機構が採用されている。「ロータリ型」には、ベーンがピストンの外周面を摺動するローリングピストン型やベーンがシリンダの内周面を摺動するスライディングベーン型だけでなく、ピストンとベーンとが一体化されているスイングピストン型が含まれる。また、膨張機構３の型式は、ロータリ型に限定されない。膨張機構３として、スクロール型、往復型、スクリュー型等の他の型式の流体機構を採用してもよい。さらに、膨張機構３の型式は、容積式に限定されず、遠心式であってもよい。
【００２３】
図３に示すように、膨張機構３は、第１シリンダ４２と、第１シリンダ４２よりも厚みのある第２シリンダ４４と、これらのシリンダ４２，４４を仕切っている中板４３とを備えている。第１シリンダ４２および第２シリンダ４４は、互いに同心状に配置されている。膨張機構３は、さらに、第１ピストン４６、第１ベーン４８、第１ばね５０、第２ピストン４７、第２ベーン４９および第２ばね５１を備えている。第１ピストン４６は、シャフト５の偏心部５ｃに嵌合しており、第１シリンダ４２の中で偏心回転運動する。第１ベーン４８は、第１シリンダ４２に形成されたベーン溝４２ａ（図４Ａ参照）に往復動自在に保持されている。第１ベーン４８の一端部は、第１ピストン４６に接している。第１ばね５０は、第１ベーン４８の他端部に接しており、第１ベーン４８を第１ピストン４６に向けて付勢する。第２ピストン４７は、シャフト５の偏心部５ｄに嵌合しており、第２シリンダ４４の中で偏心回転運動する。第２ベーン４９は、第２シリンダ４４に形成されたベーン溝４４ａ（図４Ｂ参照）に往復動自在に保持されている。第２ベーン４９の一端部は、第２ピストン４７に接している。第２ばね５１は、第２ベーン４９の他端部に接しており、第２ベーン４９を第２ピストン４７に向けて付勢する。
【００２４】
膨張機構３は、さらに、上軸受部材４５および下軸受部材４１を備えている。上軸受部材４５は、密閉容器１に隙間無く嵌め合わされている。潤滑油の移動を許容する貫通孔４５ａが上軸受部材４５に形成されている。シリンダや中板等の膨張機構３の構成部品は、上軸受部材４５を介して密閉容器１に固定されている。下軸受部材４１および中板４３は第１シリンダ４２を上下から挟持し、中板４３および上軸受部材４５は第２シリンダ４４を上下から挟持している。上軸受部材４５、中板４３および下軸受部材４１による挟持により、第１シリンダ４２および第２シリンダ４４内に作動室が形成されている。
【００２５】
図４Ａに示すように、第１シリンダ４２の内側には、吸入側の作動室５５ａ（第１吸入側空間）および吐出側の作動室５５ｂ（第１吐出側空間）が形成されている。作動室５５ａと作動室５５ｂとは、第１ピストン４６および第１ベーン４８によって区画されている。図４Ｂに示すように、第２シリンダ４４の内側には、吸入側の作動室５６ａ（第２吸入側空間）および吐出側の作動室５６ｂ（第２吐出側空間）が形成されている。作動室５６ａと作動室５６ｂとは、第２ピストン４７および第２ベーン４９により区画されている。第２シリンダ４４における２つの作動室５６ａ，５６ｂの合計容積は、第１シリンダ４２における２つの作動室５５ａ，５５ｂの合計容積よりも大きい。第１シリンダ４２の吐出側の作動室５５ｂと、第２シリンダ４４の吸入側の作動室５６ａとが、中板４３に形成された貫通孔４３ａを介してつながることによって、作動室５５ｂおよび作動室５６ａが一つの作動室（膨張室）として機能する。
【００２６】
なお、作動室５６ａ，５６ｂの合計容積を作動室５５ａ，５５ｂの合計容積よりも大きくする方法として、第１シリンダ４２の厚みと第２シリンダ４４の厚みとを異ならせる方法だけでなく、シリンダ４２，４４の内径やピストン４６，４７の外径を適切に設定する方法を採用してもよい。
【００２７】
図３に示すように、膨張機構３は、さらに、膨張前の作動流体を密閉容器１の外部の流路から直接吸入するための吸入路としての吸入管５２と、膨張後の作動流体を密閉容器１の外部の流路に直接吐出するための吐出路としての吐出管５３とを備えている。吸入管５２は、図１に示す管路１４ｃの一部である。吐出管５３は、図１に示す管路１４ｄの一部である。
【００２８】
吸入管５２は、密閉容器１の外部の流路から下軸受部材４１の内部の吸入路４１ｋへと作動流体を導くことができるように、下軸受部材４１に直接挿入されている。吐出管５３は、上軸受部材４５の内部の吐出路４５ｋから密閉容器１の外部の流路へと作動流体を導くことができるように、上軸受部材４５に直接挿入されている。このようにすれば、膨張前後の作動流体が発電機４に接触しないので、発電機４の耐熱温度を大幅に上回る温度の作動流体から動力を取り出すことが可能となる。
【００２９】
高温高圧の作動流体は、吸入管５２および吸入路４１ｋを経て、下軸受部材４１に形成された吸入孔４１ａから第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入する。第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入した作動流体は、シャフト５の回転に応じて作動室５５ｂに移り、作動室５５ｂ、貫通孔４３ａおよび作動室５６ａからなる膨張室においてシャフト５を回転させながら膨張して低圧になる。膨張後の作動流体は、作動室５６ｂ、吐出孔４５ａ、吐出路４５ｋおよび吐出管５３を経て密閉容器１の外部へと導かれる。
【００３０】
図１に示すように、シャフト５の下端には、オイルポンプ１６が設けられている。シャフト５の内部には、下軸受部材４１、上軸受部材４５、第１ピストン４６および第２ピストン４７の摺動部に給油を行うための給油路が、軸方向に延びるように形成されている（図示省略）。
【００３１】
密閉容器１には、配管１３および配管１５が接続されている。配管１３は、図１に示す管路１４ａ（第１管路）の一部である。配管１５は、図１に示す管路１４ｂ（第２管路）の一部である。配管１３の開口部は、シャフト５の軸方向に関して膨張機構３と発電機４との間に位置している。配管１５の開口部は、発電機４よりも上に位置している。すなわち、配管１３（管路１４ａ）の開口部、発電機４および配管１５（管路１４ｂ）の開口部が、シャフト５の軸方向に関してこの順番で配列している。
【００３２】
配管１３および配管１５が発電機４を挟む位置関係によれば、密閉容器１内での作動流体の流通距離を稼ぎやすいので、発電機４の効率的な冷却に資する。配管１３と密閉容器１との接続位置からみて、配管１５と密閉容器１との接続位置が、シャフト５を挟んで反対側にある場合にも、流通距離を稼ぐことができる。
【００３３】
また、膨張機構３と発電機４との間に仕切り１２が設けられている。仕切り１２は、密閉容器１の内部空間２４を膨張機構３が配置された第１内部空間２４ａと、発電機４が配置された第２内部空間２４ｂとに区画している。仕切り１２は、密閉容器１の横断面にほぼ等しい大きさおよび形状を持った板状部材であり、密閉容器１に隙間無く嵌め合わされている。また、仕切り１２は、第１内部空間２４ａと第２内部空間２４ｂとの間の作動流体の往来を許容するように形成されている。配管１３および配管１５は、それぞれ、第２内部空間２４ｂに開口している。
【００３４】
さらに、仕切り１２に隣接する領域において、膨張機構３と発電機４との間の熱移動を妨げるための断熱層２７が設けられている。本実施形態では、シャフト５の軸方向が垂直方向に一致し、膨張機構３が密閉容器１内の下側に配置され、発電機４が密閉容器１内の上側に配置されている。潤滑油の量は、油面ＳＬが仕切り１２の下面よりも下方に位置するように調整されている。膨張機構４の周囲を満たす潤滑油の油面ＳＬと仕切り１２の下面との間における第１内部空間２４ａによって断熱層２７が形成されている。作動流体は、断熱層２７で滞留する。
【００３５】
仕切り１２や断熱層２７によって以下のような効果が得られる。図２のｐ−ｈ線図に示すように、膨張機構３に吸入される作動流体の温度は、例えば２００℃と高い。そのため、膨張機構３の構成部品および膨張機構３の周囲を満たす潤滑油は、システムの作動時に高温となる。一方、配管１３から第２内部空間２４ｂに導かれる作動流体の温度は、約４０℃と低い。膨張機構３や潤滑油の熱が第２内部空間２４ｂを満たす作動流体に移ると、発電機４を冷却する効果が弱まる。本実施形態のごとく、仕切り１２や断熱層２７を設けることで、膨張機構３や潤滑油の熱が奪われることを抑制できる。その結果、発電機４をより低温に維持することが可能となるので、システムの信頼性の向上を期待できる。また、膨張機構３で膨張するべき作動流体の温度低下を防ぐことによって膨張機構３の効率が向上し、ひいてはシステムの効率も向上する。
【００３６】
なお、密閉容器１や膨張機構３が炭素鋼または鋳鉄でできている場合において、仕切り１２がステンレス鋼のような熱伝導率の小さい金属でできていると、上述の効果がいっそう高まるので好ましい。場合によっては、仕切り１２は、セラミックや耐熱性プラスチックのような非金属材料でできていてもよい。
【００３７】
また、仕切り１２は、第１内部空間２４ａと第２内部空間２４ｂとの間の作動流体の往来を許容するための圧力調整孔１２ｈを有する。圧力調整孔１２ｈは、仕切り１２を厚さ方向（上下方向）に貫く貫通孔である。仕切り１２の下側には、圧力調整孔１２ｈに連なる形で下方に延びる管状部１８が設けられている。管状部１８によって、圧力調整孔１２ｈの開口の位置が、仕切り１２の下面の位置よりも下側に合わせられている。
【００３８】
さらに、仕切り１２は、シャフト５を通すためのシャフト孔１２ｊを有する。仕切り１２の下側には、シャフト孔１２ｊに連なる形で下方に延びる管状部２０が設けられている。管状部２０によって、シャフト孔１２ｊの開口の位置が、仕切り１２の下面の位置よりも下側に合わせられている。管状部１８の下端の位置および管状部２０の下端の位置は、軸方向に関して互いに一致している。
【００３９】
断熱層２７は、膨張機構３や潤滑油の熱が上方に流れるのを遮断する。ただし、油面ＳＬの位置が変動することによって油面ＳＬと仕切り１２との距離が短くなると、断熱層２７の体積が減少して断熱効果が弱まる。そこで、本実施形態のように、管状部１８，２０を設ければ、油面ＳＬが仕切り１２に相当接近した状況下でも、管状部１８，２０の下端と仕切り１２の下面との間に作動流体が閉じこめられる。そのため、常に一定以上の体積の断熱層２７を確保でき、十分な断熱効果を確実に得ることができる。もちろん、管状部１８，２０が無い場合であっても、第１内部空間２４ａの一部である、仕切り１２と上軸受部材４５との間の空間によって断熱効果が得られる。
【００４０】
また、発電機４と仕切り１２との間、かつ、配管１３と仕切り１２との間に、作動流体の流動を抑制するための抑制板１７が設けられている。抑制板１７は、小さい貫通孔１７ｈが多数形成された多孔板でできている。仕切り１２と抑制板１７との間には、適度な広さの隙間３０がある。第２内部空間２４ｂにおいては、発電機４のロータ２２の旋回によって作動流体が激しく流動するが、隙間３０での作動流体の流動は、抑制板１７によって抑制されるので比較的小さい。そのため、隙間３０を満たす作動流体と仕切り１２との間の熱伝達を低減できる。
【００４１】
また、本実施形態では、作動流体として二酸化炭素の使用を想定している。図２に示すように、二酸化炭素は、ポンプ１０１と加熱器１０２との間の流路において、超臨界状態となりうる。そのため、配管１３が配管１５よりも下方に位置する構成においても、作動流体は、配管１３から配管１５へとスムーズに流通しうる。
【００４２】
（第２実施形態）
図５は、図３を参照して説明した膨張機１００Ａに代えて、ランキンサイクルシステム２００に採用できる他の膨張機の縦断面図である。図３に示す実施形態と共通の部材には共通の符号を付し、説明を省略することとする。
【００４３】
図５に示す膨張機１００Ｂは、膨張機構３と発電機４との位置関係が、図２に示す膨張機１００Ａと上下逆になっている。すなわち、膨張機１００Ｂでは、膨張機構３が密閉容器１内の上側に配置され、発電機４が密閉容器１内の下側に配置されている。膨張機１００Ａと同様に、シャフト５の軸方向は垂直方向に一致している。作動流体は、発電機４の周囲および／または内部を上から下に向かって流れる。
【００４４】
シャフト５の下端は、軸受６０によって支持されている。また、シャフト５の下端には、オイルポンプ１６が設けられている。貯留部２５に貯められた潤滑油は、オイルポンプ１６の働きによって、シャフト５の内部に形成された給油路を通じて膨張機構３に供給される。
【００４５】
膨張機構３と発電機４との間には、仕切り１２が設けられている。仕切り１２は、密閉容器１の内部空間２４を、膨張機構３が配置された第１内部空間２４ａと、発電機４が配置された第２内部空間２４ｂとに区画している。第１内部空間２４ａには、仕切り１２と膨張機構３の軸受部材４５との間の空間と、膨張機構３の軸受部材４５よりも上の空間とが含まれる。配管１３および配管１５は、それぞれ、第２内部空間２４ｂに開口している。配管１３の開口部は、シャフト５の軸方向に関して仕切り１２と発電機４との間にある。配管１５の開口部は、シャフト５の軸方向に関して発電機４と軸受６０との間にある。油面の位置が配管１５の開口部よりも下となるように、貯留部２５に潤滑油が貯められている。
【００４６】
発電機４の周囲は、配管１３を通じて第２内部空間２４ｂに導かれた作動流体で満たされる。発電機４の周囲の作動流体は、配管１５を通じて、密閉容器１の外部の流路に速やかに流れ出る。発電機４が作動流体から受ける冷却効果や作動流体が発電機４によって予熱されることに基づく効果については、第１実施形態で説明した通りである。
【００４７】
仕切り１２には、圧力調整孔１２ｈが形成されている。圧力調整孔１２を通じて、第１内部空間２４ａと第２内部空間２４ｂとの間の作動流体の流通が許容されている。さらに、膨張機構３の軸受部材４５には、貫通孔４５ａが形成されている。したがって、第１内部空間２４ａにおける軸受部材４５よりも上の部分も作動流体で満たされる。第１内部空間２４ａにおいて、作動流体は膨張機構３の周囲に滞留し、膨張機構３を包囲する。膨張機構３を包囲する作動流体によって断熱効果が得られる。
【００４８】
また、本実施形態によれば、膨張機構３が密閉容器１内の上側に配置されているので、膨張機構３の周囲に滞留する作動流体が高温となった場合であっても安定した温度成層が形成される。そのため、膨張機構３を包囲する作動流体が下方に流れにくい。このことと、ロータ２２の回転に基づく撹拌作用が仕切り１２によって弱められることとが相俟って、膨張機構３を包囲する作動流体に基づく断熱効果がさらに高まる。併せて、配管１３を通じて密閉容器１内に導かれる作動流体で発電機４を安定して冷却できる。
【００４９】
また、作動流体が発電機４の周囲を上から下に向かって流れる際、潤滑油は、重力や遠心力の影響を受けて作動流体から分離される。つまり、図３を参照して説明した膨張機１００Ａと同様に、本実施形態の膨張機１００Ｂにおいても、密閉容器１がオイルセパレータとして機能する。したがって、加熱器１０２での熱交換の妨げとなる潤滑油の循環量を低減できる。また、高温の加熱器１０２による潤滑油の劣化も防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態にかかるランキンサイクルシステムの構成図
【図２】図１に示すランキンサイクルシステムのｐ−ｈ線図
【図３】図１に示す膨張機の縦断面図
【図４Ａ】図３に示す膨張機のＤ１−Ｄ１横断面図
【図４Ｂ】図３に示す膨張機のＤ２−Ｄ２横断面図
【図５】第２実施形態の膨張機の縦断面図
【符号の説明】
【００５１】
１ 密閉容器
３ 膨張機構
４ 発電機
５ シャフト
１２ 仕切り
１４ 管路
１７ 抑制板
１８，２０ 管状部
１９ 隙間
２１ ステータ
２２ ロータ
２４ 密閉容器の内部空間
２４ａ 第１内部空間
２４ｂ 第２内部空間
２７ 断熱層
５２ 吸入管
５３ 吐出管
１００Ａ，１００Ｂ 膨張機
１０１ ポンプ
１０２ 加熱器
１０３ 冷却器
２００ ランキンサイクルシステム
ＳＬ 油面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、地球温暖化の問題を受けて、太陽光等の自然エネルギーや各種排熱を利用するエネルギーシステムが脚光を浴びている。そのようなエネルギーシステムの一つとして、ランキンサイクルシステムがある。一般的なランキンサイクルシステムでは、高温高圧の作動流体で膨張機を運転し、膨張機によって作動流体から取り出した動力で発電を行う。高温高圧の作動流体は、ポンプおよび熱源（太陽光、地熱、自動車の排熱等）によって作られる。
【０００３】
ランキンサイクルシステムの膨張機として、容積式の膨張機構と、その膨張機構にシャフトで連結された発電機とが密閉容器に収容された構造のものが知られている（特許文献１）。この構造の膨張機は、シャフトが密閉容器を貫通していないため、密閉容器外への作動流体の漏れを防ぐメカニカルシールが不要となる点で優れている。
【特許文献１】特開２００６−１２５７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ランキンサイクルの理論熱効率は、膨張機の入口における作動流体のエンタルピーが大きくなればなるほど良くなる。すなわち、膨張機に供給する作動流体の圧力および温度は、高ければ高いほど好ましい。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の膨張機においては、密閉容器の内部空間が膨張後の作動流体で満たされる。この場合、膨張後の作動流体の温度が高すぎると発電機がダメージを受ける可能性がある。また、許容範囲内の温度であっても、高温での運転が続くと発電機の寿命が短くなると言われている。また、発電機に永久磁石が用いられている場合には、減磁の問題も出てくる。こうした問題を回避するためには、膨張機に供給する作動流体の温度を制限する必要があるが、作動流体の温度制限は、システムの効率の向上の妨げとなる。
【０００６】
こうした問題に鑑み、本発明は、作動流体の上限温度に対する制限が緩和されたランキンサイクルシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明は、
作動流体を加圧するためのポンプと、
前記ポンプによって加圧された作動流体を加熱するための加熱器と、
前記加熱器で加熱された高温高圧の作動流体を膨張させることによって作動流体から動力を取り出すための膨張機構と、前記膨張機構に連結された発電機と、前記膨張機構および前記発電機を収容している密閉容器と、を有する膨張機と、
前記膨張機で膨張した作動流体を冷却するための冷却器と、を備え、
作動流体を前記ポンプの出口から前記加熱器の入口へと導くための流路内に前記発電機が位置するように、前記流路の一部が前記密閉容器の内部空間によって形成されている、ランキンサイクルシステムを提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のランキンサイクルシステムによれば、作動流体をポンプの出口から加熱器の入口へと導くための流路内に発電機が位置するように、その流路の一部が密閉容器の内部空間によって形成されている。このようにすれば、発電機の周囲および／または内部を比較的低温の作動流体が流れるので、発電機が作動流体によって冷却される。そのため、膨張機構で膨張する作動流体の温度が相当高い場合でも発電機の温度上昇が抑制される。併せて、発電機の熱によって作動流体が予熱されるので、システムの効率が向上する。さらに、発電機を低温に保つことによって、発電機の寿命が短くなったり減磁が起こったりしにくくなるので、システムの信頼性も高まる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態にかかるランキンサイクルシステムの構成図である。ランキンサイクルシステム２００は、ポンプ１０１、加熱器１０２、膨張機１００Ａ、冷却器１０３およびこれらの装置を相互に接続している複数の管路１４ａ〜１４ｅを備えている。
【００１１】
ポンプ１０１は、作動流体を加圧する。ポンプ１０１として、例えば、一般的な容積式ポンプを用いることができる。熱源である加熱器１０２は、ポンプ１０１によって加圧された作動流体を加熱する。加熱器１０２として、例えば、太陽熱集熱器を用いることができる。膨張機１００Ａは、加熱器１０２で加熱された高温高圧の作動流体を減圧および膨張させることによって作動流体から動力を取り出すための膨張機構３と、その動力によって発電を行うための発電機４と、動力伝達がなされるように膨張機構３と発電機４とを連結しているシャフト５と、これらを収容している密閉容器１とを有する。冷却器１０３は、膨張機１００Ａで膨張および減圧した作動流体を冷却する。冷却器１０３として、一般的なフィンチューブ型熱交換器を用いることができる。
【００１２】
作動流体として、例えば、二酸化炭素、アンモニアおよび炭化水素を用いることができる。安全性や地球温暖化防止の観点から二酸化炭素が好適である。
【００１３】
図１に示すように、作動流体をポンプ１０１の出口から加熱器１０２の入口へと導くための流路内に発電機４が位置するように、その流路の一部が膨張機１００Ａの内部を通っている。具体的に、作動流体をポンプ１０１の出口から加熱器１０２の入口へと導くための流路は、ポンプ１０１の出口と密閉容器１の内部空間２４とを接続している管路１４ａ（第１管路）と、膨張機１００Ａの密閉容器１の内部空間２４と、密閉容器１の内部空間２４と加熱器１０２の入口とを接続している管路１４ｂ（第２管路）とによって形成されている。したがって、密閉容器１の内部空間２４は、ポンプ１０１で加圧された作動流体で満たされる。ポンプ１０１で加圧された直後の作動流体の状態は、低温高圧である。低温高圧の作動流体が発電機４の周囲および／または内部を流れることによって、発電機４が冷却される。結果として、発電機４の温度上昇が抑制される。
【００１４】
図２は、図１に示すランキンサイクルシステムのｐ−ｈ線図である。作動流体として二酸化炭素を用いた場合のサイクルがＡ−Ｂ−Ｂ’−Ｃ−Ｄ−Ａで示されている。作動流体は、ポンプ１０１によって状態Ａから状態Ｂまで加圧される。ポンプ１０１で加圧された作動流体は、管路１４ａを通じて膨張機１００Ａの密閉容器１の内部空間２４に導かれ、さらに、密閉容器１の内部空間２４および管路１４ｂを通じて加熱器１０２へと導かれる。密閉容器１の内部空間２４において、作動流体は、ポンプ１０１の出口（状態Ｂ）でのエンタルピーと、加熱器１０２の入口（状態Ｂ’）でのエンタルピーとの差に相当する熱を獲得する。発電機４の熱によって作動流体が予熱されるので、システムの効率が向上する。
【００１５】
加熱器１０２において、作動流体は、状態Ｂ’から状態Ｃまで加熱される。加熱器１０２で加熱された作動流体は、管路１４ｃを通じて膨張機１００Ａの膨張機構３に導かれる。膨張機構３において、作動流体は、状態Ｃから状態Ｄまで減圧および膨張する。その後、作動流体は、管路１４ｄを通じて冷却器１０３に導かれ、状態Ｄから状態Ａまで冷却される。冷却器１０３で冷却された作動流体は、管路１４ｅを通じてポンプ１０１に戻る。
【００１６】
図１に示すように、膨張機１００Ａにおいて、膨張機構３が密閉容器１内の下側に配置され、発電機４が密閉容器１内の上側に配置されている。作動流体は、発電機４の周囲および／または内部を下から上に向かって流れる。ここで、作動流体とともにサイクルを循環する潤滑油の比重は、作動流体の比重よりも大きい。そのため、作動流体が発電機４の周囲および／または内部を下から上に向かって流れる際、潤滑油は、重力や遠心力の影響を受けて作動流体から分離される。つまり、膨張機１００Ａによれば、密閉容器１がオイルセパレータとして機能するので、加熱器１０２での熱交換の妨げとなる潤滑油の循環量を低減できる。また、高温の加熱器１０２による潤滑油の劣化も防止できる。
【００１７】
なお、本実施形態では、シャフト５の軸方向が垂直方向に一致しているが、シャフト５の軸方向が水平方向に一致していてもよい。
【００１８】
また、加熱器１０２が複数の部分に分かれていてもよい。この場合、ポンプ１０１から吐出された直後の作動流体を密閉容器１の内部空間２４に導入してもよいし、一部の加熱器で加熱された作動流体を密閉容器１の内部空間２４に導入してもよい。膨張後の作動流体の温度（状態Ｄ）よりも低温の作動流体を密閉容器１の内部空間２４に導入すれば、膨張後の作動流体で密閉容器１の内部空間２４を満たす場合（従来例）を基準として、発電機４を冷却する効果が得られるからである。
【００１９】
図３は、図１に示す膨張機１００Ａの縦断面図である。膨張機１００Ａは、密閉容器１と、膨張機構３と、発電機４と、シャフト５とを備えている。密閉容器１の底部は、膨張機構３の潤滑油の貯留部２５として利用されている。膨張機構３によって作動流体から取り出された動力は、シャフト５を介して発電機４に伝達される。シャフト５は、複数の部品によって構成されていてもよいし、単一の部品によって構成されていてもよい。
【００２０】
発電機４は、シャフト５に固定されたロータ２２と、ロータ２２の周囲に配置されたステータ２１とを備えている。ステータ２１は、密閉容器１に固定されている。ロータ２２とステータ２１との間には、作動流体が軸方向に流通できる広さの隙間１９が形成されている。隙間１９は、作動流体をポンプ１０１の出口から加熱器１０２の入口へと導くための流路の一部を形成している。作動流体が隙間１９を流通することによって、発電機４を効率よく冷却できる。言い換えれば、作動流体が効率よく熱を獲得しうる。なお、作動流体が軸方向に流通しうる隙間は、ステータ２１と密閉容器１との間に形成されていてもよい。発電機４の周囲および内部の少なくとも一方を作動流体が流れることによって、発電機４は冷却されうる。
【００２１】
なお、発電機４で発生した電力は、密閉容器１の上部に設けられたターミナル（図示省略）を介してコンバータ等の電源ユニットに供給される。
【００２２】
本実施形態では、膨張機構３として、ロータリ型流体機構が採用されている。「ロータリ型」には、ベーンがピストンの外周面を摺動するローリングピストン型やベーンがシリンダの内周面を摺動するスライディングベーン型だけでなく、ピストンとベーンとが一体化されているスイングピストン型が含まれる。また、膨張機構３の型式は、ロータリ型に限定されない。膨張機構３として、スクロール型、往復型、スクリュー型等の他の型式の流体機構を採用してもよい。さらに、膨張機構３の型式は、容積式に限定されず、遠心式であってもよい。
【００２３】
図３に示すように、膨張機構３は、第１シリンダ４２と、第１シリンダ４２よりも厚みのある第２シリンダ４４と、これらのシリンダ４２，４４を仕切っている中板４３とを備えている。第１シリンダ４２および第２シリンダ４４は、互いに同心状に配置されている。膨張機構３は、さらに、第１ピストン４６、第１ベーン４８、第１ばね５０、第２ピストン４７、第２ベーン４９および第２ばね５１を備えている。第１ピストン４６は、シャフト５の偏心部５ｃに嵌合しており、第１シリンダ４２の中で偏心回転運動する。第１ベーン４８は、第１シリンダ４２に形成されたベーン溝４２ａ（図４Ａ参照）に往復動自在に保持されている。第１ベーン４８の一端部は、第１ピストン４６に接している。第１ばね５０は、第１ベーン４８の他端部に接しており、第１ベーン４８を第１ピストン４６に向けて付勢する。第２ピストン４７は、シャフト５の偏心部５ｄに嵌合しており、第２シリンダ４４の中で偏心回転運動する。第２ベーン４９は、第２シリンダ４４に形成されたベーン溝４４ａ（図４Ｂ参照）に往復動自在に保持されている。第２ベーン４９の一端部は、第２ピストン４７に接している。第２ばね５１は、第２ベーン４９の他端部に接しており、第２ベーン４９を第２ピストン４７に向けて付勢する。
【００２４】
膨張機構３は、さらに、上軸受部材４５および下軸受部材４１を備えている。上軸受部材４５は、密閉容器１に隙間無く嵌め合わされている。潤滑油の移動を許容する貫通孔４５ａが上軸受部材４５に形成されている。シリンダや中板等の膨張機構３の構成部品は、上軸受部材４５を介して密閉容器１に固定されている。下軸受部材４１および中板４３は第１シリンダ４２を上下から挟持し、中板４３および上軸受部材４５は第２シリンダ４４を上下から挟持している。上軸受部材４５、中板４３および下軸受部材４１による挟持により、第１シリンダ４２および第２シリンダ４４内に作動室が形成されている。
【００２５】
図４Ａに示すように、第１シリンダ４２の内側には、吸入側の作動室５５ａ（第１吸入側空間）および吐出側の作動室５５ｂ（第１吐出側空間）が形成されている。作動室５５ａと作動室５５ｂとは、第１ピストン４６および第１ベーン４８によって区画されている。図４Ｂに示すように、第２シリンダ４４の内側には、吸入側の作動室５６ａ（第２吸入側空間）および吐出側の作動室５６ｂ（第２吐出側空間）が形成されている。作動室５６ａと作動室５６ｂとは、第２ピストン４７および第２ベーン４９により区画されている。第２シリンダ４４における２つの作動室５６ａ，５６ｂの合計容積は、第１シリンダ４２における２つの作動室５５ａ，５５ｂの合計容積よりも大きい。第１シリンダ４２の吐出側の作動室５５ｂと、第２シリンダ４４の吸入側の作動室５６ａとが、中板４３に形成された貫通孔４３ａを介してつながることによって、作動室５５ｂおよび作動室５６ａが一つの作動室（膨張室）として機能する。
【００２６】
なお、作動室５６ａ，５６ｂの合計容積を作動室５５ａ，５５ｂの合計容積よりも大きくする方法として、第１シリンダ４２の厚みと第２シリンダ４４の厚みとを異ならせる方法だけでなく、シリンダ４２，４４の内径やピストン４６，４７の外径を適切に設定する方法を採用してもよい。
【００２７】
図３に示すように、膨張機構３は、さらに、膨張前の作動流体を密閉容器１の外部の流路から直接吸入するための吸入路としての吸入管５２と、膨張後の作動流体を密閉容器１の外部の流路に直接吐出するための吐出路としての吐出管５３とを備えている。吸入管５２は、図１に示す管路１４ｃの一部である。吐出管５３は、図１に示す管路１４ｄの一部である。
【００２８】
吸入管５２は、密閉容器１の外部の流路から下軸受部材４１の内部の吸入路４１ｋへと作動流体を導くことができるように、下軸受部材４１に直接挿入されている。吐出管５３は、上軸受部材４５の内部の吐出路４５ｋから密閉容器１の外部の流路へと作動流体を導くことができるように、上軸受部材４５に直接挿入されている。このようにすれば、膨張前後の作動流体が発電機４に接触しないので、発電機４の耐熱温度を大幅に上回る温度の作動流体から動力を取り出すことが可能となる。
【００２９】
高温高圧の作動流体は、吸入管５２および吸入路４１ｋを経て、下軸受部材４１に形成された吸入孔４１ａから第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入する。第１シリンダ４２の作動室５５ａに流入した作動流体は、シャフト５の回転に応じて作動室５５ｂに移り、作動室５５ｂ、貫通孔４３ａおよび作動室５６ａからなる膨張室においてシャフト５を回転させながら膨張して低圧になる。膨張後の作動流体は、作動室５６ｂ、吐出孔４５ａ、吐出路４５ｋおよび吐出管５３を経て密閉容器１の外部へと導かれる。
【００３０】
図１に示すように、シャフト５の下端には、オイルポンプ１６が設けられている。シャフト５の内部には、下軸受部材４１、上軸受部材４５、第１ピストン４６および第２ピストン４７の摺動部に給油を行うための給油路が、軸方向に延びるように形成されている（図示省略）。
【００３１】
密閉容器１には、配管１３および配管１５が接続されている。配管１３は、図１に示す管路１４ａ（第１管路）の一部である。配管１５は、図１に示す管路１４ｂ（第２管路）の一部である。配管１３の開口部は、シャフト５の軸方向に関して膨張機構３と発電機４との間に位置している。配管１５の開口部は、発電機４よりも上に位置している。すなわち、配管１３（管路１４ａ）の開口部、発電機４および配管１５（管路１４ｂ）の開口部が、シャフト５の軸方向に関してこの順番で配列している。
【００３２】
配管１３および配管１５が発電機４を挟む位置関係によれば、密閉容器１内での作動流体の流通距離を稼ぎやすいので、発電機４の効率的な冷却に資する。配管１３と密閉容器１との接続位置からみて、配管１５と密閉容器１との接続位置が、シャフト５を挟んで反対側にある場合にも、流通距離を稼ぐことができる。
【００３３】
また、膨張機構３と発電機４との間に仕切り１２が設けられている。仕切り１２は、密閉容器１の内部空間２４を膨張機構３が配置された第１内部空間２４ａと、発電機４が配置された第２内部空間２４ｂとに区画している。仕切り１２は、密閉容器１の横断面にほぼ等しい大きさおよび形状を持った板状部材であり、密閉容器１に隙間無く嵌め合わされている。また、仕切り１２は、第１内部空間２４ａと第２内部空間２４ｂとの間の作動流体の往来を許容するように形成されている。配管１３および配管１５は、それぞれ、第２内部空間２４ｂに開口している。
【００３４】
さらに、仕切り１２に隣接する領域において、膨張機構３と発電機４との間の熱移動を妨げるための断熱層２７が設けられている。本実施形態では、シャフト５の軸方向が垂直方向に一致し、膨張機構３が密閉容器１内の下側に配置され、発電機４が密閉容器１内の上側に配置されている。潤滑油の量は、油面ＳＬが仕切り１２の下面よりも下方に位置するように調整されている。膨張機構４の周囲を満たす潤滑油の油面ＳＬと仕切り１２の下面との間における第１内部空間２４ａによって断熱層２７が形成されている。作動流体は、断熱層２７で滞留する。
【００３５】
仕切り１２や断熱層２７によって以下のような効果が得られる。図２のｐ−ｈ線図に示すように、膨張機構３に吸入される作動流体の温度は、例えば２００℃と高い。そのため、膨張機構３の構成部品および膨張機構３の周囲を満たす潤滑油は、システムの作動時に高温となる。一方、配管１３から第２内部空間２４ｂに導かれる作動流体の温度は、約４０℃と低い。膨張機構３や潤滑油の熱が第２内部空間２４ｂを満たす作動流体に移ると、発電機４を冷却する効果が弱まる。本実施形態のごとく、仕切り１２や断熱層２７を設けることで、膨張機構３や潤滑油の熱が奪われることを抑制できる。その結果、発電機４をより低温に維持することが可能となるので、システムの信頼性の向上を期待できる。また、膨張機構３で膨張するべき作動流体の温度低下を防ぐことによって膨張機構３の効率が向上し、ひいてはシステムの効率も向上する。
【００３６】
なお、密閉容器１や膨張機構３が炭素鋼または鋳鉄でできている場合において、仕切り１２がステンレス鋼のような熱伝導率の小さい金属でできていると、上述の効果がいっそう高まるので好ましい。場合によっては、仕切り１２は、セラミックや耐熱性プラスチックのような非金属材料でできていてもよい。
【００３７】
また、仕切り１２は、第１内部空間２４ａと第２内部空間２４ｂとの間の作動流体の往来を許容するための圧力調整孔１２ｈを有する。圧力調整孔１２ｈは、仕切り１２を厚さ方向（上下方向）に貫く貫通孔である。仕切り１２の下側には、圧力調整孔１２ｈに連なる形で下方に延びる管状部１８が設けられている。管状部１８によって、圧力調整孔１２ｈの開口の位置が、仕切り１２の下面の位置よりも下側に合わせられている。
【００３８】
さらに、仕切り１２は、シャフト５を通すためのシャフト孔１２ｊを有する。仕切り１２の下側には、シャフト孔１２ｊに連なる形で下方に延びる管状部２０が設けられている。管状部２０によって、シャフト孔１２ｊの開口の位置が、仕切り１２の下面の位置よりも下側に合わせられている。管状部１８の下端の位置および管状部２０の下端の位置は、軸方向に関して互いに一致している。
【００３９】
断熱層２７は、膨張機構３や潤滑油の熱が上方に流れるのを遮断する。ただし、油面ＳＬの位置が変動することによって油面ＳＬと仕切り１２との距離が短くなると、断熱層２７の体積が減少して断熱効果が弱まる。そこで、本実施形態のように、管状部１８，２０を設ければ、油面ＳＬが仕切り１２に相当接近した状況下でも、管状部１８，２０の下端と仕切り１２の下面との間に作動流体が閉じこめられる。そのため、常に一定以上の体積の断熱層２７を確保でき、十分な断熱効果を確実に得ることができる。もちろん、管状部１８，２０が無い場合であっても、第１内部空間２４ａの一部である、仕切り１２と上軸受部材４５との間の空間によって断熱効果が得られる。
【００４０】
また、発電機４と仕切り１２との間、かつ、配管１３と仕切り１２との間に、作動流体の流動を抑制するための抑制板１７が設けられている。抑制板１７は、小さい貫通孔１７ｈが多数形成された多孔板でできている。仕切り１２と抑制板１７との間には、適度な広さの隙間３０がある。第２内部空間２４ｂにおいては、発電機４のロータ２２の旋回によって作動流体が激しく流動するが、隙間３０での作動流体の流動は、抑制板１７によって抑制されるので比較的小さい。そのため、隙間３０を満たす作動流体と仕切り１２との間の熱伝達を低減できる。
【００４１】
また、本実施形態では、作動流体として二酸化炭素の使用を想定している。図２に示すように、二酸化炭素は、ポンプ１０１と加熱器１０２との間の流路において、超臨界状態となりうる。そのため、配管１３が配管１５よりも下方に位置する構成においても、作動流体は、配管１３から配管１５へとスムーズに流通しうる。
【００４２】
（第２実施形態）
図５は、図３を参照して説明した膨張機１００Ａに代えて、ランキンサイクルシステム２００に採用できる他の膨張機の縦断面図である。図３に示す実施形態と共通の部材には共通の符号を付し、説明を省略することとする。
【００４３】
図５に示す膨張機１００Ｂは、膨張機構３と発電機４との位置関係が、図２に示す膨張機１００Ａと上下逆になっている。すなわち、膨張機１００Ｂでは、膨張機構３が密閉容器１内の上側に配置され、発電機４が密閉容器１内の下側に配置されている。膨張機１００Ａと同様に、シャフト５の軸方向は垂直方向に一致している。作動流体は、発電機４の周囲および／または内部を上から下に向かって流れる。
【００４４】
シャフト５の下端は、軸受６０によって支持されている。また、シャフト５の下端には、オイルポンプ１６が設けられている。貯留部２５に貯められた潤滑油は、オイルポンプ１６の働きによって、シャフト５の内部に形成された給油路を通じて膨張機構３に供給される。
【００４５】
膨張機構３と発電機４との間には、仕切り１２が設けられている。仕切り１２は、密閉容器１の内部空間２４を、膨張機構３が配置された第１内部空間２４ａと、発電機４が配置された第２内部空間２４ｂとに区画している。第１内部空間２４ａには、仕切り１２と膨張機構３の軸受部材４５との間の空間と、膨張機構３の軸受部材４５よりも上の空間とが含まれる。配管１３および配管１５は、それぞれ、第２内部空間２４ｂに開口している。配管１３の開口部は、シャフト５の軸方向に関して仕切り１２と発電機４との間にある。配管１５の開口部は、シャフト５の軸方向に関して発電機４と軸受６０との間にある。油面の位置が配管１５の開口部よりも下となるように、貯留部２５に潤滑油が貯められている。
【００４６】
発電機４の周囲は、配管１３を通じて第２内部空間２４ｂに導かれた作動流体で満たされる。発電機４の周囲の作動流体は、配管１５を通じて、密閉容器１の外部の流路に速やかに流れ出る。発電機４が作動流体から受ける冷却効果や作動流体が発電機４によって予熱されることに基づく効果については、第１実施形態で説明した通りである。
【００４７】
仕切り１２には、圧力調整孔１２ｈが形成されている。圧力調整孔１２を通じて、第１内部空間２４ａと第２内部空間２４ｂとの間の作動流体の流通が許容されている。さらに、膨張機構３の軸受部材４５には、貫通孔４５ａが形成されている。したがって、第１内部空間２４ａにおける軸受部材４５よりも上の部分も作動流体で満たされる。第１内部空間２４ａにおいて、作動流体は膨張機構３の周囲に滞留し、膨張機構３を包囲する。膨張機構３を包囲する作動流体によって断熱効果が得られる。
【００４８】
また、本実施形態によれば、膨張機構３が密閉容器１内の上側に配置されているので、膨張機構３の周囲に滞留する作動流体が高温となった場合であっても安定した温度成層が形成される。そのため、膨張機構３を包囲する作動流体が下方に流れにくい。このことと、ロータ２２の回転に基づく撹拌作用が仕切り１２によって弱められることとが相俟って、膨張機構３を包囲する作動流体に基づく断熱効果がさらに高まる。併せて、配管１３を通じて密閉容器１内に導かれる作動流体で発電機４を安定して冷却できる。
【００４９】
また、作動流体が発電機４の周囲を上から下に向かって流れる際、潤滑油は、重力や遠心力の影響を受けて作動流体から分離される。つまり、図３を参照して説明した膨張機１００Ａと同様に、本実施形態の膨張機１００Ｂにおいても、密閉容器１がオイルセパレータとして機能する。したがって、加熱器１０２での熱交換の妨げとなる潤滑油の循環量を低減できる。また、高温の加熱器１０２による潤滑油の劣化も防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態にかかるランキンサイクルシステムの構成図
【図２】図１に示すランキンサイクルシステムのｐ−ｈ線図
【図３】図１に示す膨張機の縦断面図
【図４Ａ】図３に示す膨張機のＤ１−Ｄ１横断面図
【図４Ｂ】図３に示す膨張機のＤ２−Ｄ２横断面図
【図５】第２実施形態の膨張機の縦断面図
【符号の説明】
【００５１】
１ 密閉容器
３ 膨張機構
４ 発電機
５ シャフト
１２ 仕切り
１４ 管路
１７ 抑制板
１８，２０ 管状部
１９ 隙間
２１ ステータ
２２ ロータ
２４ 密閉容器の内部空間
２４ａ 第１内部空間
２４ｂ 第２内部空間
２７ 断熱層
５２ 吸入管
５３ 吐出管
１００Ａ，１００Ｂ 膨張機
１０１ ポンプ
１０２ 加熱器
１０３ 冷却器
２００ ランキンサイクルシステム
ＳＬ 油面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を加圧するためのポンプと、
前記ポンプによって加圧された作動流体を加熱するための加熱器と、
前記加熱器で加熱された高温高圧の作動流体を膨張させることによって作動流体から動力を取り出すための膨張機構と、前記膨張機構に連結された発電機と、前記膨張機構および前記発電機を収容している密閉容器と、を有する膨張機と、
前記膨張機で膨張した作動流体を冷却するための冷却器と、を備え、
作動流体を前記ポンプの出口から前記加熱器の入口へと導くための流路内に前記発電機が位置するように、前記流路の一部が前記密閉容器の内部空間によって形成されている、ランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記膨張機構は、膨張前の作動流体を前記密閉容器の外部の流路から直接吸入するための吸入路と、膨張後の作動流体を前記密閉容器の外部の流路に直接吐出するための吐出路とを含む、請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項３】
前記膨張機構が前記密閉容器内の下側に配置され、前記発電機が前記密閉容器内の上側に配置されており、
作動流体が前記発電機の周囲および／または内部を下から上に向かって流れる、請求項１または請求項２に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項４】
前記膨張機構が前記密閉容器内の上側に配置され、前記発電機が前記密閉容器内の下側に配置されており、
作動流体が前記発電機の周囲および／または内部を上から下に向かって流れる、請求項１または請求項２に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項５】
前記膨張機が、前記膨張機構と前記発電機とを連結しているシャフトをさらに有し、
前記発電機が、前記シャフトに固定されたロータと、前記ロータの周囲に配置されたステータとを含み、
前記ロータと前記ステータとの間には、作動流体が前記シャフトの軸方向に流通できる広さの隙間が形成されている、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項６】
前記ポンプの出口と前記密閉容器の内部空間とを接続している第１管路と、前記密閉容器の内部空間と前記加熱器の入口とを接続している第２管路とをさらに備え、
前記第１管路、前記密閉容器の内部空間および前記第２管路によって、作動流体を前記ポンプの出口から前記加熱器の入口へと導くための前記流路が形成されており、
前記膨張機が、前記膨張機構と前記発電機とを連結しているシャフトをさらに有し、
前記第１管路の開口部、前記発電機および前記第２管路の開口部が、前記シャフトの軸方向に関してこの順番で配列している、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項７】
前記膨張機が、前記密閉容器の内部空間を前記膨張機構が配置された第１内部空間と前記発電機が配置された第２内部空間とに区画している仕切りをさらに有し、
前記仕切りが、前記第１内部空間と前記第２内部空間との間の作動流体の往来を許容するように形成され、
前記第１管路および前記第２管路が、それぞれ、前記第２内部空間に開口している、請求項６に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項８】
前記仕切りに隣接する領域において、前記発電機と前記膨張機構との間の熱移動を妨げるための断熱層が設けられている、請求項７に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項９】
前記シャフトの軸方向が垂直方向に一致するように、前記膨張機構が前記密閉容器内の下側に配置され、前記発電機が前記密閉容器内の上側に配置されており、
前記膨張機構の周囲を満たす潤滑油の油面と前記仕切りの下面との間における前記第１内部空間によって前記断熱層が形成されている、請求項８に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１０】
前記仕切りが、前記第１内部空間と前記第２内部空間との間の作動流体の往来を許容するための圧力調整孔を有し、
前記仕切りの下側には、前記圧力調整孔に連なる形で下方に延びる管状部が設けられている、請求項９に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１１】
前記仕切りが、前記シャフトを通すためのシャフト孔を有し、
前記仕切りの下側には、前記シャフト孔に連なる形で下方に延びる管状部が設けられている、請求項９または請求項１０に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１２】
前記膨張機が、前記発電機と前記仕切りとの間に配置された、作動流体の流動を抑制するための抑制板をさらに有する、請求項７ないし請求項１１のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１】
作動流体を加圧するためのポンプと、
前記ポンプによって加圧された作動流体を加熱するための加熱器と、
前記加熱器で加熱された高温高圧の作動流体を膨張させることによって作動流体から動力を取り出すための膨張機構と、前記膨張機構に連結された発電機と、前記膨張機構および前記発電機を収容している密閉容器と、を有する膨張機と、
前記膨張機で膨張した作動流体を冷却するための冷却器と、を備え、
作動流体を前記ポンプの出口から前記加熱器の入口へと導くための流路内に前記発電機が位置するように、前記流路の一部が前記密閉容器の内部空間によって形成されている、ランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記膨張機構は、膨張前の作動流体を前記密閉容器の外部の流路から直接吸入するための吸入路と、膨張後の作動流体を前記密閉容器の外部の流路に直接吐出するための吐出路とを含む、請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項３】
前記膨張機構が前記密閉容器内の下側に配置され、前記発電機が前記密閉容器内の上側に配置されており、
作動流体が前記発電機の周囲および／または内部を下から上に向かって流れる、請求項１または請求項２に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項４】
前記膨張機構が前記密閉容器内の上側に配置され、前記発電機が前記密閉容器内の下側に配置されており、
作動流体が前記発電機の周囲および／または内部を上から下に向かって流れる、請求項１または請求項２に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項５】
前記膨張機が、前記膨張機構と前記発電機とを連結しているシャフトをさらに有し、
前記発電機が、前記シャフトに固定されたロータと、前記ロータの周囲に配置されたステータとを含み、
前記ロータと前記ステータとの間には、作動流体が前記シャフトの軸方向に流通できる広さの隙間が形成されている、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項６】
前記ポンプの出口と前記密閉容器の内部空間とを接続している第１管路と、前記密閉容器の内部空間と前記加熱器の入口とを接続している第２管路とをさらに備え、
前記第１管路、前記密閉容器の内部空間および前記第２管路によって、作動流体を前記ポンプの出口から前記加熱器の入口へと導くための前記流路が形成されており、
前記膨張機が、前記膨張機構と前記発電機とを連結しているシャフトをさらに有し、
前記第１管路の開口部、前記発電機および前記第２管路の開口部が、前記シャフトの軸方向に関してこの順番で配列している、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項７】
前記膨張機が、前記密閉容器の内部空間を前記膨張機構が配置された第１内部空間と前記発電機が配置された第２内部空間とに区画している仕切りをさらに有し、
前記仕切りが、前記第１内部空間と前記第２内部空間との間の作動流体の往来を許容するように形成され、
前記第１管路および前記第２管路が、それぞれ、前記第２内部空間に開口している、請求項６に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項８】
前記仕切りに隣接する領域において、前記発電機と前記膨張機構との間の熱移動を妨げるための断熱層が設けられている、請求項７に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項９】
前記シャフトの軸方向が垂直方向に一致するように、前記膨張機構が前記密閉容器内の下側に配置され、前記発電機が前記密閉容器内の上側に配置されており、
前記膨張機構の周囲を満たす潤滑油の油面と前記仕切りの下面との間における前記第１内部空間によって前記断熱層が形成されている、請求項８に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１０】
前記仕切りが、前記第１内部空間と前記第２内部空間との間の作動流体の往来を許容するための圧力調整孔を有し、
前記仕切りの下側には、前記圧力調整孔に連なる形で下方に延びる管状部が設けられている、請求項９に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１１】
前記仕切りが、前記シャフトを通すためのシャフト孔を有し、
前記仕切りの下側には、前記シャフト孔に連なる形で下方に延びる管状部が設けられている、請求項９または請求項１０に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項１２】
前記膨張機が、前記発電機と前記仕切りとの間に配置された、作動流体の流動を抑制するための抑制板をさらに有する、請求項７ないし請求項１１のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【公開番号】特開２００９−１７４４９４（Ｐ２００９−１７４４９４Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１６２８０（Ｐ２００８−１６２８０）
【出願日】平成２０年１月２８日（２００８．１．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２８日（２００８．１．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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